ガラスビーズのせん断弾性係数および液状化抵抗に与える時間依存性
地盤工学研究室

早川飛翼

指導教員

豊田浩史

1. はじめに
近年，循環型社会の構築に対する意識が高まっており，産業廃棄物・特別管理廃棄物のリサイクルへの取り組みが活発となっている．特に，廃ガラスに関しては，建築材料の他 1)，粉砕・加工することで再生砂として利用した砂浜が話題となり，土木分野でも活用が考えられている 2)．しかしながら，いまだ全国で約 60万トン/年にも及ぶ使用済みガラスびんが再利用されず，埋め立てなど廃棄処理をされているのが現状である．このような状況の中，廃ガラスを土木分野で広く図－1 粒径加積曲線利用するために，粉砕・加工ガラスの地盤工学的性質を把握することが重要である．そこで，本研究では，

2.1 液状化試験(飽和非排水繰返し三軸試験)

ガラスビーズのせん断弾性係数および液状化抵抗の力

本研究では，通常圧密に加え，実地盤が長期間，圧学的特性に着目し,室内要素試験である飽和非排水繰密状態にさらされることを視野に入れた検討も行った．

返し三軸試験，局所微小ひずみ測定試験，ベンダーエ長期圧密をさせる際，停電等によりコンプレッサーがレメント試験及び静的貫入試験を実施した．これらの停止すると，所定の圧力を保つことができないため，結果を既往研究 3)で行われた豊浦砂の結果と比較して，本研究では，背圧を載荷せずに試験を行なっている．

ガラスビーズの時間依存性を検証した．

間隙圧係数 B>0.95 を満たすと飽和していると判断し，自動制御により平均有効主応力 p’=50kPa で等方圧密

2. 試験方法を行う圧密過程に移行する．

本研究は，ガラスビーズと豊浦砂を試料として用い圧密開始から排水が終了するまでの圧密を通常圧密て，漏斗堆積法及び負圧法により，供試体を作製した．とて，圧密終了後，軸ひずみ速度 0.1mm/min のひずみ各試料の物理的特性および粒径加積曲線を表-1，図-1

制御と繰返片振幅 σd を設定し，自動制御で繰返し載荷に示す．なお，本研究では板ガラス，瓶ガラス等に広を行う．この繰返し載荷過程は，両振幅軸ひずみく用いられているソーダ石灰ガラスを球形に加工した

DA=5%に達した時を液状化したものとし，試験を終了ものをガラスビーズとして使用した．

した．本試験方法は軸ひずみ速度一定で，載荷周波数一定の試験条件 4)を満たすことができない．しかし，

表－1 各試料の物理的特性

初期相対密度Dr0(%)

ガラスビーズ

豊浦標準砂

40

40

0.670

0.761

2.487

2.650

1.582

1.645

1.452

1.335

初期間隙比

e0
ρs（g/cm )最大乾燥密度3

ρmax（g/cm )最小乾燥密度ρmin（g/cm3)といえる．
2.2 BE（ベンダーエレメント）試験
本研究では，キャップおよびペデスタル中央に送受信用 BE を設置した．圧密期間に応じて適宜，せん断

土粒子密度3

過去の研究成果 5)から，試験結果に与える影響はない波を送信して供試体中を伝播するせん断波の速度を測定し，せん断波速度 Vs を求めた．また，せん断波速度Vs から初期せん断弾性係数 G0 を求めた．せん断波の伝播速度 Vs と初期せん断弾性係数 G0 は次式より算出

した．

期間隙比が小さくなっているためだと考えられる．まVs= L /⊿t

た，ガラスビーズおよび豊浦砂の両ケースで長期圧密

G0=𝜌𝑡 Vs2

により，繰り返し載荷回数 Nc が増加する傾向が確認で

ここで，きる．このことから，液状化強度 RL は圧密時間に依存

Vs：せん断波速度(m/s)，L：BE 間距離(mm)，⊿t：せ性があると言える．そこで，各試料の長期圧密に与えん断波到達時間(msec)，G0：初期せん断剛性(kPa)，る液状化強度増加率を考察した．
液状化強度増加率は，

𝜌𝑡 ：湿潤密度(g/c𝑚3 )である．

式(1)に定義し，液状化強度の増加量を評価する．
なお,

L はキャップとペデスタルの BE 先端間距離をとる

長期圧密試料は繰返し応力振幅比を 1 ケースしか実施

tip-to-tip 法を，⊿t は送受信波形の立ち上がり点を結していないため，液状化曲線は，通常圧密試料と平行

ぶ start-to-start 法を用い，同定した．になると仮定して RL を求めた．式からわかるように，
通常圧密の液状化強度増加率は 1.0 である．

2.3 局所微小ひずみ（LSS：Local Small Strain）試験
三軸試験により長期圧密されたガラスビーズの供長期圧密の𝑅𝐿

液状化強度増加率 RLC=

通常圧密の𝑅𝐿(1)

試体の変形特性を調べるため，非接触型の局所変位計

図-3 に液状化強度増加率 RLC と圧密時間の関係を示を供試体に直接取り付けた．この局所変位計により，す．ガラスビーズの RLC は，ガラスビーズでは 1 週間

軸方向及び側方向の変形量を測定し，局所せん断ひず以内で曲線的に増加し，1 週間以上に一定となっていみ εs を算出した．なお，供試体作製から圧密までの過る．一方，豊浦砂では 1 週間以内で一定，1 週間以上程及び圧密時間は 2.1 と同様である．設定した圧密期になると微増するような傾向が確認できる．これらよ間終了後，排水条件で単調載荷試験（軸ひずみ速度り，試料によって，長期圧密の影響が異なること判明0.025mm/min）を行ない，局所せん断ひずみ εs=1%程度した． そこで， BE 試験により得られた初期せん断弾までの割線せん断弾性係数 G(MPa)を下式より算出し性係数 G0 と圧密時間 tc の関係を図-4 に示す．
図より，た．また，せん断ひずみεs=1%以降も，外部変位計か豊浦砂で圧密時間の変化が見られないのに対し，ガラら排水条件の単調載荷試験(CD 試験)を継続して実施

スビーズでは 1 週間程度まで増加する傾向が見られる．

した．

これらは，写真-1 に示すようなガラスビーズの粒子固εs=2/3(εa-εr)

結作用が働いたものと考えられる．一般的に地盤を固G=q/3εs化することでせん断弾性係数や液状化抵抗は増加する

ここで，εa：軸ひずみ，εr：側方向ひずみ，q：軸差応ことが知られている 6)． 1 週間以上の圧密を行ったガ力(MPa)である．

ラスビーズ試料には微量ではあるが，固結したガラスビーズ析出物がまばらに混入していた．これらの析出

2.4 コーン貫入試験

物が液状化抵抗とせん断弾性係数が増加する要因にな

本研究では，長期圧密されたガラスビーズの静的貫ったことが考えられる． そこで，LSS 試験により，微入特性を調べるため，コーン貫入試験を行った．上載

小域でのせん断弾性係数への影響について調査した．

圧 10kPa を作用させた状態で，長期間養生を行ったの

図－5 に割線せん断弾性係数 G とせん断ひずみ εs のち，一定の速度(0.25mm/min)で貫入棒を貫入させ，コ関係を示す．図より，長期圧密を与えたガラスビーズーン貫入抵抗を測定した．

はεs＝0.001%以下とされる弾性ひずみ域での G の値は大きく増加して，εs=0.1%付近まで同一ひずみレベ

3．試験結果および考察

ルで通常圧密よりも高い剛性である．また，ガラスビ

3.1 液状化強度およびせん断弾性係数

ーズにおいて 1 週間圧密と 2 週間圧密の結果は同程度

液状化試験より得られた液状化強度比 RL と圧密時間であった．このことから，1 週間程度で固結が完了す

tc の関係を図－2 に示す．図より，豊浦砂と比較してガることが考えられる．また，便宜上εs＝0.0001%に示

ラスビーズの液状化強度曲線が高いことがわかる．こされている BE 試験で求めた G0 と弾性ひずみ域での G

れはガラスビーズの粒子形状が球形でありながら，初の値は概ね同等の結果であることがわかる．

3.2 排水せん断強度および貫入抵抗値
図－6 にせん断弾性係数 G とせん断ひずみ εs の関係を示す. この結果より，液状化強度はガラスビーズが高いのに対し，排水せん断強度はガラスビーズの方が1/2 程度小さいことがわかる．これはガラスビーズが球形により，粒子間ですべりやすいためと考えられる．
また，ガラスビーズおよび豊浦砂の両ケースで 2 週間圧密と通常圧密で同等の強度を示している．このことから，排水せん断強度には圧密時間の依存性がないこ
図－3 液状化強度増加率 RLEとが推測させる．そこで，同じ強度という観点から，
コーン貫入試験により貫入抵抗の変化について検証しqc30 と表記する)と圧密時間の関係を示す．図より，ガラスビーズは最大 365 日，豊浦砂は最大 112 日の養生を行ったが，貫入抵抗値 qc30 の変化はガラスビーズおよび豊浦砂の両ケースで圧密時間に対してあまり変化が見られない．このことから，貫入抵抗値は両ケースで圧密時間の影響はないと考えられる．これらより，
ガラスビーズは液状化強度およびせん断弾性係数で長期圧密による増加が確認されたのに対して，排水せん

Elastic Shear modulus, G0(MPa)た．図－7 に貫入長さ Lc=30mm の貫入抵抗値 (以下100Glass beads Dr c=40%
Toyoura Sand Dr c=40%

14day
58day

28day

908070600.010.1

110100Time, t c(day)図－4 初期せん断弾性係数 G0－圧密時間 tc 関係

断強度と貫入抵抗値では長期圧密による変化は観測できなかった．この理由として，ガラスビーズに粒子固結作用があることが考えられると，大きなひずみレベルでは，粒子固結が簡単に崩れてしまうことが考えられる．また，ガラスビーズおよび豊浦砂の両ケースの平均値を見ると，豊浦砂よりガラスビーズの貫入抵抗値が 1/2 程度小さいことがわかる．これは，排水せん断強度と同等の差であることから，貫入抵抗値と排水せん断強度には関連性があることが考えられる．
写真-1 長期圧密によるガラスビーズの固結作用

図－2 液状化強度比 RL－圧密時間 tc 関係

図－5 G－εs 関係（ガラスビーズ）

4．まとめ
本研究より得られた知見は以下の通りである．
① 液状化抵抗およびせん断弾性係数
・ガラスビーズの方が豊浦砂より大きい．理由として，ガラスビーズの初期間隙比が小さいことが影響したと考えられる．
・長期圧密により，ガラスビーズでは 1 週間程度まで増加の傾向を示したが，豊浦砂には増加傾向は見られなかった．ガラスビーズの粒子固結作用が働いたものと考えられる．
② 排水せん断強度および貫入抵抗値
・ガラスビーズの方が豊浦砂より小さい．理由として，

図－6 排水せん断強度 q とせん断ひずみ εs の関係

ガラスビーズは球形で，粒子間ですべりやすいためと考えられる．

1.6

できなかった．①の結論より，ガラスビーズに固結作用があることを考えると，大きなひずみレベルではこの固結が簡単に崩れてしまうことが考えられる．
参考文献
1) 工藤和彦，橋本祐二，長谷部正：廃ガラスを利用した軽量材料の開発, 平成 14 年度技術研究発表会，2003．
2) 三上大道，佐々木哲也，石原雅規：廃ガラスリサイ
クル粗粒材料の埋設管埋戻し材としての利用に関する基礎的研究, 地盤工学ジャーナル，Vol. 10，No.
1，pp. 127-140，2015．
3) 田中将平：長期圧密が砂の力学特性にあたえる影
響，平成 28 年度長岡技術科学大学大学院工学研究科修士論文，2017.
4) 社団法人地盤工学会編，液状化メカニズム・予測法と設計法に関するシンポジウム発表論文集，
p.25，1999．
5) 久野達彦，中瀬明男，中野堂裕文，繰返し載荷時の間隙水圧挙動と粒度の関係，第 33 回土木学会年次
学術講演会講演概要集，pp. 136-137，1978．
6) 吉見吉昭，福武毅芳：地盤液状化の物理と評価・対策技術，技報堂出版，pp. 110-112，2005．
7) 門脇悠太：長期圧密されたガラスビーズの力学特性に与える時間依存性，平成 30 年度長岡技術科学
大学大学院工学研究科修士論文，2019．

Cone resistance, qc30(MPa)・ガラスビーズと豊浦砂の時間依存性はほとんど観測

Toyoura sand,Dro=40%, qc30
Glass beads, Dro=40%, qc30

(Average 1.03MPa)(Average 0.585MPa)

1.2

0.8

0.4

0.00.11101001000

Time of curing, tc(day)図－7 貫入抵抗値 qc30－養生時間 tc 関係